基于AVL FIRE的质子交换膜燃料电池水热管理的仿真分析

目前，我国的燃料电池汽车主要集中在客车和专用车领域。北汽福田、郑州宇通、南京金龙等车企均推出了燃料电池商用车型，并进入试运行阶段。2017年11月上汽大通宣布燃料电池宽体轻客FCV80正式上市标志着我国燃料电池汽车正式迈向了商业化的进程。

1月15日，“传统燃料车辆动力技术转型升级国际研讨会”中，中国科技部部长万钢指出“要高度重视燃料电池产业化应用，提前做好应对”。燃料电池汽车由于其良好的发展前景以及政府的众多利好政策成为公众关注的焦点。

什么是燃料电池？

燃料电池不同于动力蓄电池，燃料电池是一个能够发电的装置，而蓄电池是一个储存电能的装置，两者从根本上是不一样的。
根据电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）、磷酸燃料电池（PhosphoricAcid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate FuelCell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）等多种类型，其使用的燃料和适应的应用场景各有不同，其中质子交换膜燃料电池具有高比功率、可快速启动、无腐蚀性、反应温度低、氧化剂需求低等优势，是当前燃料电池汽车的首选。

以氢氧质子交换膜燃料电池为例，其工作原理如下：
氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢离子(即质子)，并释放出2个电子。而氧气(或空气) 则通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子通过电解质膜到达阴极，电子通过外电路也到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧与氢离子和电子发生反应生成水和热，反应方程式如下图1所示：


图1 质子交换膜燃料电池的工作原理图

在燃料电池工作工程中，燃料电池将氢气的化学能经与氧气电化学反应转化为电能、热能和反应产物水。燃料电池中约有40％～50％的能量耗散为热能，因此必须采取有效的散热方式及时排除这些热量。另外，由于质子交换膜燃料电池的电化学反应在水-气体-质子（离子）三相界面上进行，当催化层中水量过多时，过量的水会冲淡反应气体的浓度，同时阻塞反应区的气体通道，造成水淹电极从而影响电池性能；而质子交换膜中水含量过少会引起质子交换膜的质子传导能力下降，导致电池性能的下降。有效管理电池运行时产生的水和热，对提高燃料电池的性能起着至关重要的作用。

AVL针对燃料电池水热管理的解决方案

AVL从事燃料电池的开发已经有15年的时间。AVL有150多位专家专注于燃料电池的开发。针对不同的市场需求，AVL分别提供了质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池的技术解决方案。2016年日产发布了与AVL合作开发的世界首款由固体氧化物燃料电池（SOFC）驱动的样车。



在AVL的燃料电池开发过程中，仿真工具和测试工具一样必不可少。AVL FIRE是一款三维CFD（计算流体力学）仿真分析软件，AVL FIRE不仅成功的应用于传统的发动机动力总成和整车流体力学分析中，同时为电气化动力总成的零部件的仿真分析（锂电池，燃料电池，电机）提供了先进和专业的解决方案。
FIRE中具有专门的燃料电池模块（Fuel Cell module），可以对质子膜交换燃料电池（PEM Fuel Cell）和固体氧化物燃料电池（SOFC）进行模拟。通过FIRE中的燃料电池模块可以方便高效的对水热管理系统进行仿真和优化。
在FIRE中，可以对燃料电池的各个组成部分进行详细的三维建模（以质子交换膜燃料电池举例），包括气体流通通道，冷却通道，催化剂层，气体扩散层以及质子交换膜等。FIRE中的燃料电池模块不但可以模拟燃料电池内部反应气体的流动、传热和电化学反应过程，同时其多相流模型可以准确模拟燃料电池工作过程中的相变。另外，不同组分（离子，分子等）在扩散层，催化层这些多孔材料内的扩散以及液态水在质子交换膜中的扩散过程，在催化层和扩散层中的毛细渗透过程都可以在FIRE中进行考虑。
使用FIRE进行燃料电池的模拟时，可以准确计算出电池工作过程中的电化学反应热以及焦耳热等热量来源，得到燃料电池上准确的三维的温度场分布，保证燃料电池热管理计算的准确性，为冷却通道的设计和优化提供可靠的指导。 
FIRE中具有燃料电池的老化模型（经验模型），可以预测由于电池老化燃料电池各个组成部分（质子交换膜，催化剂层，气体扩散层等）结构的变化以及材料特性参数的变化（比如质子交换膜，气体扩散层的厚度，质子交换膜的离子导电率等），从而可以预测电池老化对电池性能的影响。

FIRE中PEMFC燃料电池水热管理仿真的关注重点

对关键区域进行分析：避免局部区域温度过高（热管理）以及避免局部出现“淹死”区域和“干死”区域（水管理），对燃料分布的均匀性进行分析。基于分析结果可以对燃料电池的结构进行优化改进，比如：冷却通道，气体通道的结构和尺寸等。


图2 气体通道的设计和比较（平行结构和蜿蜒结构）


图3 FIRE 仿真计算三维结果

对燃料电池不同运行工况下（比如不同温度、压力、质量流量、湿度等）的性能进行分析和优化。


图4 FIRE仿真二维结果（不同工况条件对燃料电池性能的影响）

材料参数的研究：在材料性能和成本中取得折中，比如电极材料（多孔材料）的选型研究。
电池衰减的预测：基于FIRE中的电池老化模型，可以预测电池的老化对性能的影响。


图5 FIRE仿真二维结果（电池老化对电池性能的影响）

使用FIRE可以直接进行燃料电池热应力的计算，另外FIRE也可以通过和有限元的接口把计算结果 (三维的温度场分布) 传递给有限元软件，为有限元的应力计算提供边界条件。
结论

AVL FIRE具有专门的模块来模拟质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。
质子交换膜燃料电池中的水热管理对电池性能有重要影响。因此，进行有效的水热管理是保证燃料电池性能、稳定性和安全性的关键因素。
借助于三维的CFD软件AVL FIRE可以高效、准确的对燃料电池的水热管理进行仿真和研究，对燃料电池的结构，材料，运行工况等进行分析和优化并可以对燃料电池的寿命进行预测。因此使用AVL FIRE进行燃料电池的水热管理研究具有重要意义。



AVL提供了针对燃料电池车虚拟开发阶段的完整工具链：使用AVL FIRE软件进行燃料电池的部件级开发，而AVL另一款系统级仿真工具AVL CRUISE从车辆系统层面提供了燃料电池车的车辆性能模拟。CRUISE中的Fuel Cell模块基于燃料电池阴极侧的极化曲线推导的经验电化学方程，可以模拟燃料电池在整车行驶工况下的性能，例如电池的电压、功率、功率损失和效率，带有这个模块的整车模型可以预测燃料电池车的动力性能及经济性能。下一个推送主题将详细介绍AVL CRUSIE中Fuel Cell的原理及应用，敬请期待！